微流控芯片
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微流控芯片

微流控流体控制之如何选择合适的微流控导管?

选择微流体导管的一般指导原则

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选择微流体导管时必须考虑几个主要的参数,根据您的具体应用,为您的微流体实验选择合适的导管可以大大提高流量控制装置的效率和科学实验结果的质量。当与微流体研究人员讨论时,似乎大多数人并没有花时间为他们的特定应用来正确的选择最好的微流体导管和配件。考虑到这个原因,本文介绍如何选择微流体导管以便为广大的研究人员选择合适的微流体导管时节省大量的宝贵时间。


微流体导管中的死体积


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微流体导管或连接器中的高死体积可能有4个缺点:
(1)由于导管内液体速度表现出抛物线形状,完全更换液体的时间可能比您想象的时间要长,导管内液体的完全更换需要通过一定   量的液体,通常要高于导管的体积。液体的传输时间可近似的表示如下:t=V/ψ,其中V是导管的死体积,ψ是液体的流速。在此种情况下,转移1个体积的导管内的液体量时,在出口处液体的组成仍然具有约30%的先前液体的残留量。转移时间或液体量须乘以因子6才能消除先前的液体(>95%)。
(2)流体沿着导管的高转移时间:在实验开始时,更换导管中的液体的时间或填充导管管道的时间。
(3)如果导管必须装满昂贵或稀有的样品,则会消耗大量的样品。死体积可以通过如下公式计算:V=L*π*ID^2/4,其中ID是导管的内径,L是导管的长度。
(4)如果导管在操作期间移动或者由于流体惯性而停止流动,那么导管的内部容积可能会因其变形而发生改变。对于低流量的应用,这些体积变化可能会在微流体芯片中引起意外的流动或振荡。这些假象很大程度上取决于实验装置的配置并且很难预料,但是通常来说,为了限制这些影响,对于低流量的应用必须避免使用较大的导管。


微流体导管的一致性(Compliance of a microfluidic tubing)


Elveflow-Tubing-Compliance.png


对于非常低流量的应用,压力会使导管变形,从而导致其内部体积发生变化。当使用死端导管时,这种体积变化通常导致压力平衡减慢。由于内部压力引起的导管的变形可以使用以下关系进行粗略的近似:dV/V=2P/E(用于厚壁管)或者dV/V=P*R/(E*t)(用于薄壁管),其中,P是压力变化值,E是导管材料的杨氏模量,R是导管半径,t是导管的厚度(常见导管的数值在下面给出)。为了限制导管的顺应性影响,优选小管和刚性管,并且可以使用 注射泵流动稳定器微流体套件(Syringe Pump Flow Stabilizer Microfluidic Kit),但是,有时候,软导管的高柔顺性也可以以复杂的方式用于使用注射泵时经常观察到的注射泵流动稳定器微流体套件。


微流体导管中的压力下降


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对于薄毛细导管,与微流体芯片中的压降相比,沿着导管的压降可以变得不可忽略和/或占主导地位。由导管的流体阻力引起的这种压降可以通过使用Poiseuille Low来近似计算:dP=8Lη.Q/pi.R^4,其中L是导管长度,Q是导管中的流速,η是流体的粘度,主要数字参数在下表中给出。流体阻力通常用于微流体实验装置中以便消除由液滴产生而造成的流速不稳定性和压力的变化,或者使用低流阻设置在低流速下工作。

标准微流控导管的优点和缺点,如下表所示。


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